從歷次科技革命看未來科技發展方向

人類史也是一部科技史。馬克思在《資本論》中指出：科學技術是歷史上起推動作用的革命力量。[]1956年，索洛（R.M.Solow）將技術進步作為一個單獨的因素，納入到經濟增長理論中給予系統地研究，從而比較完整地描述和解釋了經濟增長的原因[]。此後，丹尼森（E.F.benison）等經濟學家在索洛模型的基礎上通過實證分析得出了技術進步是經濟增長的主要源泉的結論。麥迪森在對世界各國經濟兩個世紀以來的發展狀況進行了有史以來最大空間和時間跨度的全面的定量比較後指出：從長期來看，技術進步是影響經濟增長變化的最基本因素[]。1988年，鄧小平同志根據當代科學技術發展的趨勢和現狀，提出了「科學技術是第一生產力」的論斷。[]近年來國家對科技發展越來越重視，習近平總書記曾多次提到科技的重要性，並指出：中國要強，中國人民生活要好，必須有強大科技！[]

歷史經驗表明，科技革命總是能夠深刻改變世界發展格局。一些國家抓住科技革命的難得機遇，實現了經濟實力、科技實力、國防實力迅速增強，綜合國力快速提升。近代以後，由於國內外各種原因，我國屢次與科技革命失之交臂。當今世界，新一輪科技革命蓄勢待發。[]因此，對科技革命研究不僅關乎我國相關政策制定，也關乎我國綜合國力提升、經濟與社會的跨越式發展和中華民族的偉大復興的實現，當下展開對此問題的探討與研究，其現實意義顯得尤為重大。

1 五次科技革命的簡要情況

科技革命是科學革命和技術革命的統稱，習近平總書記2016年5月30日在全國科技創新大會、兩院院士大會、中國科協第九次全國代表大會上的講話中指出，世界上先後大約發生了五次科技革命。[]

1.1 第一次科學革命

新航路的開闢為歐洲帶來了新知識和新發現、文藝復興解放了人們的思想、社會的發展和生產力的進步這些都為第一次科學革命打下了基礎。1543年哥白尼發表了《天體運行論》，科學地闡明了天體運行的現象。[]他提出的「日心說」動搖了長期以來教會支持的「地心說」的統治地位，解放了人們的思想，引起了整個宇宙觀、世界觀的巨大變革，初步形成了與中世紀神學與經驗哲學完全不同的新興科學體系。也是在1543年，安德烈·維薩里（Andreas Vesalius）發表了《人體構造》一書，對蓋倫的「三位一體」學說提出挑戰，批駁了《聖經》中通過「復活骨」使人復活的無稽之談，否定了上帝用男人的肋骨創造女人的荒唐論調。[]繼哥白尼和維薩里之後，自然科學得到飛速發展。伽利略開創了科學實驗與數學方法相結合的新的研究途徑，是人類思想史上最偉大的成就之一，標誌著物理學的真正開端。[]牛頓，一個百科全書式「全才」，在多領域均有不凡成就，他在1687年發表的的巨作《自然哲學的數學原理》，開闢了大科學時代。他是經典力學基礎的牛頓運動定律的建立者。他發現的運動三定律和萬有引力定律，為近代物理學和力學奠定了基礎，他的萬有引力定律和哥白尼的日心說奠定了現代天文學的理論基礎。1628年哈維公開發表了《心血運動論》，書中提出血液是循環運行的，心臟有節律的持續搏動是促使血液在全身循環流動的動力源泉，[]標誌著近代生理學的誕生。1661年波義耳發表了《懷疑派化學家》，開創了近代化學。第一次科學革命打破了舊的觀念束縛，科學受到推崇，科學知識得到普及。隨著科學的進一步發展，人類迎來了技術發明的高潮。[]

1.2 以蒸汽機為代表的第一次技術革命

18世紀時英國的工場手工業的生產已經不能滿足急劇擴大的國內外市場需求，這就對工場手工業提出了技術改革的要求。1733年機械師凱伊改進織布梭子，發明「飛梭」，這是一種半自動的織布機，與原來手擲梭子方法相比較，效率提高一倍。飛梭的發明和使用，造成紡紗業與織布業勞動生產率的不平衡，推動紡紗業技術革命的開展。1765年，織工哈格里夫斯發明了「珍妮紡織機」，珍妮機比舊式紡車的紡紗能力提高了8倍，珍妮機的出現揭開了工業革命的序幕。1768年，阿克賴特發明了水力紡紗機，1771年他在英國的曼徹斯特建立了創辦了機器紡紗廠。隨著紡紗機的不斷改進，對動力也有更高的要求，原有的動力如人力、畜力、水力和風力等已經不能滿足需要，迫切的需要一種適應性更廣的動力機，使機器動力不再受地理位置、季節等自然因素的影響。1765年，瓦特在薩維利、紐可門的基礎上，對蒸汽機作出了重大的改進，大大提高了蒸汽機的效率。1785年，瓦特製成的改良型蒸汽機投入使用，在紡織、採礦、冶金等工業部門得到迅速推廣。1807年富爾頓設計、製造的蒸汽輪船「克萊蒙特」號試航成功。1814年，斯蒂芬森研製的第一輛蒸汽機車試運行成功。1825年，斯蒂芬森親自駕駛他同別人合作設計製造的蒸汽機車在新鋪設的鐵路上試車，並獲得成功。蒸汽機在交通運輸業中的應用，使人類邁入了「火車時代」，迅速的擴大了人類的活動範圍。蒸汽機的改良應用，結束了人類對畜力、風力和水力的由來已久的依賴，使機械化生產衝破自然條件的限制，解決了大機器生產中最關鍵的問題，推動了交通運輸空前的進步，大大加速了工業革命的進程。1840年前後，英國的大機器生產基本上取代了傳統的工廠手工業，工業革命基本完成。英國成為世界上第一個工業國家。[]

1.3 以電氣化為標誌的第二次技術革命

第一次工業革命推動了生產力、社會和經濟的迅速發展，進而推動了自然科學的發展，19世紀科學研究工作進入空前活躍並取得重大發現的高潮期，一系列重大科學發現又進一步促進了重大技術發明，科學與技術緊密結合起來，為我們帶來了一場科技革命。1821法拉第首先證明了可以把電力轉變為旋轉運動，並製成了簡易電動機，1931年法拉第發現了電磁感應現象，從而奠定了電機的理論基礎，同年法拉第發明了圓盤發電機，這是人類創造出的第一個發電機。[]法拉第的發現奠定了電磁學的基礎，1864年麥克斯韋發表了《電磁理論》，建立了系統的電磁學理論，進而證明了電磁波的存在。電磁感應現象和電磁理論的發現為我們開闢人類生產的新時代——電氣時代創造了條件。1866年西門子發明了直流發電機，同年西門子還發明了第一台直流電動機，1873年，格拉姆發明了大功率電動機，1876年貝爾發明了電話，1879年愛迪生髮明電燈，這些發明照亮了人類實現電氣化的道路。[]1882年美國建成世界上第一個發電廠，實現了電力技術產業化。此後電力逐步推廣應用於工業生產，促進了現代工業體系的形成，使很多國家的工業結構發生了根本性變化，生產進入電氣時代。

這個時期科技上的另一個重大成就是內燃機。1840年焦耳發現了電流通過導體產生熱量的現象，進而提出了焦爾定律，隨後在1847年，他又發現了著名的能量守恆與轉換定律，這為內燃機的發明奠定了理論基礎。1876年，奧托發明了精巧耐用、高效可靠的以煤氣為燃料四衝程循環內燃機，為實用汽車的出現打下了基礎。1883年戴姆勒研製成功第一台以汽油為燃料的內燃機，它的特點是輕型、馬力大、效率高，可充作交通工具的發動機。1892年狄賽爾發明了熱效率更高、燃料更便宜的柴油內燃機，它雖比使用汽油的內燃機笨重，但卻非常適用於重型運輸工具。內燃機的發明與改進解決了交通工具核心的動力問題，19世紀80年代，一種新型的交通工具——汽車誕生了。

第二次科技革命不僅實現了生產的電氣化，建立了現代工業體系，還發展了生活文明(電訊、電器、汽車和航空等)，對生產和生活都產生了重大影響。

1.4 第二次科學革命

物理學發展到19世紀末期，可以說相當完備，一切物理現象似乎都能夠從相應的理論中得到滿意的回答，而不協調的只是物理學天空上小小的「兩朵烏雲」。1900年4月威廉·湯姆生（開爾文勛爵）發表了題為《19世紀熱和光的動力學理論上空的烏雲》的文章。他所說的第一朵烏雲，主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結果和以太漂移說相矛盾；他所說的第二朵烏雲，主要是指熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結果，其中尤以黑體輻射理論出現的「紫外災難」最為突出。[]但是正是這兩朵烏雲卻揭開了物理學革命的序幕：一朵烏雲下降生了量子論，緊接著從另一朵烏雲下降生了相對論。量子論和相對論的誕生，給物理學帶來了革命性的變化，使整個物理學面貌為之一新。

為了得出和實驗相符合的黑體輻射定律，許多物理學家進行了各種嘗試，如基於經典物理學的維恩公式和瑞利-金斯公式，[]但他們只能在短波或長波其中一部分與實驗結果一致，而另一部分則與實驗結果明顯不符，這使經典物理學面臨了危機。1900年普朗克為克服經典物理學理論解釋黑體輻射規律的困難，大膽地提出了一個能量不連續的能量子假設，按照玻爾茲曼的統計方法，推出了一個與實驗數據完全吻合的普朗克公式。普朗克的新思想打破了經典物理傳統觀念對人們的長期束縛，隨後量子理論在愛因斯坦、玻爾、德布羅意、薛定諤、海森堡、玻恩、狄拉克、泡利等一批物理學家的努力下逐步建立發展起來。

邁克爾遜-莫雷實驗沒有觀測到地球相對於以太的運動，這同經典物理學理論的「絕對時空」和「以太」概念產生矛盾。[]同時一些電磁現象也不能由經典物理學做出解釋如：運動物體的電磁感應現象表現出相對性、電磁規律（麥克斯韋方程組）在伽利略變換下不是不變的，為使牛頓理論使之能夠圓滿解釋上述新現象，以洛倫茲為代表的許多物理學家在牛頓力學的框架內通過引入各種假設來對牛頓理論進行修補，最後引導出了許多新的與實驗結果相符合的方程式，如時間變慢和長度收縮假說、質速關係式和質能關係式 ，甚至得到了洛倫茲變換，而這卻有悖於經典觀念，為了解決這一問題，1905年愛因斯坦在拋棄以太、以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設的基礎上建立了狹義相對論。愛因斯坦的狹義相對論突破了自伽利略時代以來絕對時空的觀念，更新了人們的世界觀，也為廣義相對論的誕生奠定了基礎。經典力學的大部分都可以成功的改寫為相對論形式，以使其可以用來更好的描述高速運動下的物體，但是唯獨引力理論無法在狹義相對論的框架體系下改寫，這直接導致愛因斯坦擴展其狹義相對論，而得到了廣義相對論。[]

1.5 第三次科學變革和技術革命

信息科學是一門新興的跨多學科的科學，它以信息為主要研究對象。1948年、1949年，美國數學家香農發表了《通信的數學理論》和《在雜訊中的通信》兩篇著名論文，他借鑒熱力學中熵的概念，提出了「信息熵」的概念，並給出了信息熵的數學公式，解決了對信息的量化度量問題，創立了資訊理論。[]資訊理論首先在通信工程中得到廣泛應用，為信息科學的研究奠定了初步的基礎。1948年美國應用數學家諾伯特·維納發表了著名的《控制論——關於在動物和機器中控制和通訊的科學》，創立了控制論。同時，維納獨立於申農給出了度量信息的公式，也是資訊理論的創始人之一。1932年美籍奧地利人、理論生物學家L.V.貝塔朗菲發表《抗體系統論》，提出了系統論的思想。1937年貝塔朗菲提出了一般系統論原理，奠定了這門科學的理論基礎。1968年貝塔朗菲的專著《一般系統論基礎、發展和應用》，總結了一般系統論的概念、方法和應用，確立系統論這門科學的學術地位。[]至此信息科學的老三論-資訊理論、系統論和控制論全部建立，此後信息科學迅速發展、廣泛應用，研究內容的範圍不斷擴大。如今信息科學與技術的廣泛應用對工程技術、社會經濟和人類生活等方面都產生了巨大的影響，成為了是經濟發展的強大動力。

19世紀以來，物理學和化學不斷發展，新技術不斷地應用於生物研究，有力的推動了生物學的發展。1869年瑞士醫生弗雷德里希·米歇爾首先從白血球的細胞核中，分離出一種他稱為「核素」（nuclein，現稱核酸）的化學物質。20世紀初，在孟德爾定律的基礎上，摩爾根發現了染色體是基因的載體，確立了伴性遺傳規律，創立現代遺傳學的「基因理論」。20世紀30年代中期美國科學家鮑林將x-射線衍射晶體結構測試的方法引入到蛋白質結構測定中來，推導了經衍射圖譜計算蛋白質中重原子坐標的公式，並提出蛋白質中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的。[]1953年沃森和克里克根據弗蘭克林和維爾金斯的DNA衍射圖譜提出了DNA的雙螺旋結構模型，揭開了生命科學的新篇章，誕生了分子生物學。隨後科學家們又破譯了全部遺傳密碼，又相繼產生了基因工程、酶工程、發酵工程、蛋白質工程等。20世紀末，生命科學作用越發顯著，不僅直接影響到人們的經濟生活和社會生活，更為揭示人體全部奧秘提供了可能。

核能的發現和利用是這一時期的偉大成就之一，在這一發現上積累了很多科學家前赴後繼的努力如：湯姆遜、倫琴、貝克勒爾居里夫人與居里先生、盧瑟福等，核能利用的理論基礎即是著名的愛因斯坦質能方程E=mc2。核能被認為是人類目前最具希望的未來能源之一。據粗略統計，人類的科技知識，19世紀是每50年增加1倍，20世紀中葉是每10年增加1倍，當前則是每3年到5年增加1倍。二是科技知識的更新速度也在加快。當今，工程師知識的半衰期是5年，即5年內有一半知識已過時。三是從科學發現到技術開發、從科技成果向生產力轉化的時間越來越短。[]因此這一時期的科技成就太多如：計算機、互聯網、航空、電子技術、航天、材料等等，限於篇幅，不能詳陳。

2 科技革命的特徵、歷史規律及預測

2.1 科技革命的特徵

縱觀歷史，科技革命呈現時代特徵，牛頓曾經說過：我之所以成功，是因為我站在巨人的肩膀上。時勢造英雄，時代而已。在科學上，比如說狹義相對論，事實上，狹義相對論實驗基礎早在相對論提出之前很久就出現了，狹義相對論的數學工具也都已經準備好了，光速不變在狹義相對論提出的時候算是已經比較廣泛被學術界接受了，畢竟「烏雲」就在那裡了。所以即使沒有愛因斯坦，狹義相對論也會被其他科學家所提出來，只是時間問題。在創立狹義相對論後，愛因斯坦曾經說，如果他沒有發現狹義相對論，恐怕幾年之內就會被發現，因為當時的理論已經呼之欲出，並且有實驗數據支撐。[]很難想像牛頓那個年代的人能夠提出相對論或者量子論，顯然這也是不可能的。在技術上，即便作為當時世界首富的約翰·戴維森·洛克菲勒(John Davison Rockefeller)為了自身利益阻撓電燈的應用，並成為紐約最後一個安裝電燈的富豪，也依然不能阻止歷史的車輪。當然，本文並不是要否定偉人的歷史貢獻。恰恰相反，本文正是希望人們能抓住時代機遇，對於偉人則應當仁不讓的承擔時代賦予的責任。

2.2 科技革命的歷史規律

習近平總書記縱觀世界科技革命發展歷史，得出規律性認識：「每一次產業技術革命，都給人類生產生活帶來巨大而深刻的影響」。[]那麼科技革命究竟給我們帶來了什麼，我們通過這個視角來窺探科技革命的規律。（1）對問題的解決。如量子論和相對論對「兩朵烏雲」問題的解決。（2）更長的壽命。古往今來健康與長壽一直都是人們最為關切的頭等大事，今天尤甚。（3）更快的速度。人類誕生之初最快的速度不過人的奔跑極限，此後逐漸發展為馬、馬車、汽車、高鐵、飛機等交通工具的行駛速度。（4）更大的能量。人類在相當長的時間裡使用的能量僅限於自然能量，然後是蒸汽帶來的機械能、化石能、核能。（5）更少的勞動。蒸汽機的發明，讓人從繁重的體力勞動中部分的解脫出來，計算機的發明，讓人們從複雜的腦力勞動中部分的解脫出來。（6）更便利的生活。比如通訊，人類早期的通訊要靠面對面的交流，如果距離較遠，這個時間可能要以月計，後來發展到信件、電報、電話，今天我們可以通過手機、互聯網實時交流，而且不必擔心距離。（7）更強的運算能力。1975年摩爾定律指出經典計算機的性能每兩年翻倍，這種趨勢已經持續了超過半個世紀。需要指出的是，摩爾定律現已趨於失效，經典計算機的計算能力趨於瓶頸。（8）更快的信息傳輸速度。自上世紀80年代第一代移動通信技術標準制定以來，現已發展到第四代4G，第五代5G正處於測試中，預計5G網速將比4G提高10倍左右。

2.3 科技革命的方向預測-人的發展方向

無論是科學上還是技術上前人都已為我們提供了堅實的臂膀，與歷史上任何一個時代相比，今天都是科技發展的最好時代。當今世界正處在科技創新突破和科技革命的前夜，我們要抓住機遇，找對方向，而有了對科技革命歷史規律的總結，也便有了未來科技的發展方向，需要強調的是運算能力和信息傳輸速度是以後的基礎，無論是短期的無人駕駛、人工智慧還是中期的萬物互聯。這裡就不再針對各具體領域一一探討了，只探討一下人的發展方向。（1）人的未來。產生與消亡的機制蘊含著生命科學的許多奧秘。哲學上有三個有趣的問題：你是誰；你從哪裡來；你到哪裡去。那麼人是從哪裡來的呢？這裡不得不提達爾文，1859年達爾文出版了他的經典著作《物種起源》。該書中，達爾文根據20多年積累的許多領域的大量研究資料，提出了以自然選擇為中心的進化論學說。由此可知，人和動物的祖先是一樣的，都是由低級向高級逐漸進化發展來的。從基本粒子到宇宙，從無機到有機再到我們這個多樣化的自然界，從概率上來說已經是小概率不可能事件了，每想至此，人們總是會情不自禁的發出慨嘆。當我們發現自然界對生物的設計法則的時候，我們會不禁再次感慨：設計何等精妙。神奇的自然之手平衡著萬物，處於食物鏈底端生物擁有較強繁殖能力或較長壽命，而處於食物鏈頂端生物則恰恰相反。而正是為了這種平衡，她為頂端生物「設計」了疾病、衰老和死亡。至今「自然之手」仍在發揮作用，我們衰老的「設計」應該就在我們體內，很可能是遺傳物質基因在起作用，因為為保證平衡這種「設計」首先要在繁衍過程中保留下來。近年來對端粒和端粒酶的研究取得了進展，可以使體外培養的細胞解決「末端複製難題」（end replication problem）、突破「海佛烈克極限」（Hayflick limit）達到永生[]，儘管離生物個體上的永生還有很長的路要走，但生命奧秘的帷幕已經掀開一角。如果生命密碼全部破譯，那麼永生也是水到渠成了。（2）人類社會的未來。國家或地區的界限經常使我們忽略了一個簡單、基本的事實，人在本質上是無差別的，出生時都如白紙一張，現階段也終有一死，所有的地球人也都僅僅只是普通人而已，而地球是我們共同的家園。全球190多個國家、約70億人口，未來將走向何方？習近平總書記基於對歷史和現實的深入思考，對人類社會未來的趨勢做出了判斷，提出了「人類命運共同體」的時代特色思想。古人云「修身齊家治國平天下」，欲平天下，則先治國，國不治，而言不信。作為世界第二大經濟體、人口第一大國，國際地位舉足輕重，「人類命運共同體」的思想恰逢其時。共同體思想是對馬克思主義的拓展和豐富，共產主義社會可以看作人類命運共同體的一個最終階段，但不是通過革命的方式達成的，而是通過合作共贏、提高生產力、發展經濟、共同繁榮來實現的。待到那時，人類命運相共，界限似乎不是那麼重要了。

參考文獻：

[] 吳靜.馬克思的革命觀及其當代意義研究[D].湖北:華中師範大學，2016

[] 科技進步與經濟增長關係的研究綜述[DB/OL].浙江省科學技術廳,http://www.zjkjt.gov.cn/news/node11/detail110407/2008/110407_12953.htm

[] 麥迪森.世界經濟二百年回顧[M].北京:改革出版社,1997

[] 張敏.科學技術是第一生產力[M].吉林:吉林美術出版社,2013

[] 習近平.為建設世界科技強國而奮鬥[N].人民日報,2016年06月01日

[] 習近平.為建設世界科技強國而奮鬥[N].人民日報,2016年06月01日

[] 習近平.為建設世界科技強國而奮鬥[N].人民日報,2016年06月01日

[] 季冰冰,吳玉紅.浩夜繁星: 外國古代科學探索者[M].北京:中國物資出版社,2005

[] 張毅.第四章 近代科學:西方雄風再展[M].北京:華文出版社,2009

[] 鄭曉波.物理學史在高中物理教學中應用的研究[D].浙江:浙江師範大學,2007

[] 張銘.哈維與血液循環的發現[J].中小學實驗與裝備,2013年6期

[] 林慕笙.2014新教材科學革命［DB/OL］.百度文庫,https://wenku.baidu.com/view/460f38e748d7c1c708a145e9.html

[] 人民教育出版社歷史室.世界近代現代史[M].河南省:人民教育出版社，2000年12月第二版

[] 邵紅勝.自學成才的物理大師——法拉第[J].今日中學生,2017年28期

[] 徐旻瑋.國際產業轉移與湖北省製造業基地發展研究[D].湖北:華中科技大學,2010

[] 茗涔.物理兩朵烏雲［DB/OL］.百度百科,https://baike.baidu.com/item/物理兩朵烏雲/10015431?fr=aladdin，2018-02-25/2018-03-12

[] 透明耗子.量子理論（物理）[DB/OL].搜狗百科,http://baike.sogou.com/h474844.htm?sp=Sprev&sp=l74992029

[]d5yuansu.狹義相對論[DB/OL].百度百科,https://baike.baidu.com/item/狹義相對論/473499?fr=aladdin

[] 宇宙奧秘mp,如果沒有愛因斯坦，相對論到現在會被發現嗎？[DB/OL].科技頻道-手機搜狐,http://m.sohu.com/a/198028318_355119

[] cnoon.信息科學[DB/OL].互動百科,http://www.baike.com/wiki/信息科學

[] 李建新.談唯物辯證法與系統論的關係[J].神州（下旬刊）,2013年8期

[] 程學禮.淺談鮑林的科學成就和創新方法[J].泰山學院學報,2011年6期

[] 張瑞民.世界科技革命的歷史簡介及啟示[J].社科縱橫，2004年10月

[] 宇宙奧秘mp,如果沒有愛因斯坦，相對論到現在會被發現嗎？[DB/OL].科技頻道-手機搜狐,http://m.sohu.com/a/198028318_355119

[] 中共中央文獻研究室.習近平關於科技創新論述摘編[M].北京:中央文獻出版社,2016年版

[] 木東,「不死的癌細胞」奧秘何在？[DB/OL].百度百科-TA說,https://baike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=095968e1c684b6b822d6aa63&lemmaId=&fromLemmaModule=pcBottom

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